MIT趙選賀，最新Science評論文章！

每年全球有超過100萬個生物電子設備植入人體，用於監測和調節生理過程，例如用於調節心跳的心臟起搏器。生物電子學的潛在應用已經擴展到許多器官系統和病理學領域，承諾提供精確的診斷和無藥物治療。然而，建立生物電子設備與生物組織之間穩固且高效的界面是一個關鍵挑戰。

美國麻省理工學院趙選賀教授和Sarah J. Wu博士在Science發表了題目爲“Tissue adhesive semiconductors”的評論文章，評論指出生物黏合半導體代表了改善生物電子設備信號靈敏度、空間分辨率和手術工作流程的一個有希望的途徑。除了半導體，開發具有定製化化學、機械、光學、聲學或熱性能的下一代生物黏合劑，可以在廣泛的生物集成設備領域實現重大進展，改變人類健康監測和管理的方式。

傳統的生物電子設備固定方法，如縫合和釘書釘，通常會造成組織損傷，並可能引發各種併發症，包括出血、感染和異物反應（涉及炎症和纖維化）。儘管已經證明可以將薄膜生物電子設備無縫附着在組織上，但其超薄幾何形態所帶來的弱物理黏附性和約束限制對其性能造成了限制。因此，生物黏合材料因其能夠建立無創、貼合和穩定的界面而備受吸引，從而有助於實現安全的長期感知和刺激。值得注意的是，爲了確保界面間的有效信號傳輸，實現有利的電學特性和穩固的黏附性能成爲一個核心挑戰。以往爲生物電子設備開發生物黏合劑的努力主要集中在將導電聚合物或填料納入生物黏合劑聚合物網絡中，這些被用作被動電極。然而，作爲電路中的有源部件（如晶體管）基礎的半導體在生物黏合劑中的整合仍相對較少探索。

爲了實現所需的多功能特性，研究者通過將半導體聚合物和生物黏合刷聚合物混合在一起製成了雙網絡薄膜，充分發揮了它們的優勢。具體而言，一種氧化還原活性半導體聚合物經旋塗，然後與一個由聚乙烯骨架組成，其長側鏈被功能化爲羧酸（COOH）和N-羥基琥珀酰亞胺（NHS）酯基團的生物黏合刷聚合物混合。這些功能團能夠通過促進界面上的快速水分去除，並在聚合物與組織之間實現靜電和共價相互作用，從而迅速而強烈地附着在溼潤組織上。將這些功能團戰略性地引入長側鏈的末端，是確保其充分暴露在組織表面的關鍵，從而克服了半導體聚合物長鏈可能帶來的潛在障礙。

由此產生的BASC薄膜與溼潤的豬組織迅速粘附（不到1分鐘），界面韌性>20 J m -2，剪切強度>7 kPa，抗拉強度>4 kPa，以及高載流子遷移率（~1 cm 2 V -1 s -1）。BASC薄膜還表現出高延展性（可達100%應變而無開裂），使其能夠適應非平面組織表面並適應變形。植入體長期功能的主要挑戰之一是異物反應（FBR），它可能產生干擾信號傳輸的纖維組織。部分原因是由於BASC薄膜具有類似組織的柔軟力學特性，在大鼠皮下植入時產生較低水平的纖維化和與FBR相關的生物標誌物，這證明了與創傷性縫合和釘書釘相比的一個有希望的替代方法。

在將生物電子設備與溼潤、動態組織集成時，BASC材料的優勢尤爲明顯。在組織移動存在的情況下，縫合特別具有挑戰性，並且需要長時間接觸以形成粘附是不切實際的。BASC可以通過施加輕微的壓力在不到一分鐘內直接附着。這種高效的附着過程避免了與組織動態相關的困難，並提高了信號讀出的穩定性。爲了證明這一點，研究者製造了基於BASC的有機電化學晶體管（OECT）設備，以記錄孤立大鼠心臟的離體心外膜心電圖（ECG），以及大鼠腿肌的體內肌電圖（EMG）。與使用縫線或單獨的（非導電）黏合層附着的OECT設備相比，基於BASC的OECT顯示出更高的記錄信號幅度和穩定性。此外，OECT內置的生物信號放大使其具有比導電聚合物組成的被動記錄設備更高的記錄信號幅度。

圖3 一種附着在孤立豬心表面的生物黏合有機電化學晶體管在機械攪動過程中保持穩定的接觸。

有幾個方面需要進一步研究，以充分發揮BASC材料的潛力。與最先進的生物黏合材料相比，BASC的黏附性能相對較弱，這可能會對其在更具要求的長期體內應用中的穩定性構成挑戰，例如體內心電圖。在設備重新定位或移除的情況下，BASC還可以受益於融入一種觸發無創解離的手段。此外，對BASC的慢性耐久性、電學性能和生物相容性進行全面研究將是充分評估植入設備隨時間性能和臨牀實用性的關鍵。

參考文獻：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj3284

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg8758

來源：高分子科學前沿

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